NiosII處理器軟體代碼最佳化方法

引 言
Altcra公司NiosII軟核處理器具有完全可定製特性、高效能、較低產品和實旌成本、易用性、適應性以及不會過時等優勢。使用NiosII處理器，將不會局限於預先製造處理器技術，而是根據使用者標準定製處理器，按照需要選擇合適外設、儲存空間和介面。此外，還可以輕鬆整合使用者專有功能，使設計具有獨特競爭優勢。
NiosII處理器軟體開發是建立在ANSl C基礎上。NiosII IDE是NiosⅡ系列嵌入式處理器主要軟體開發工具。使用者可以在NiosII IDE中完成所有軟體開發工作單位，如編輯、編譯、下載、調試和快閃記憶體編程。NiosII嵌入式系統一個重要問題就是軟體代碼量大小，這關係到存放代碼儲存空間件容量大小，因此控制和減小程式代碼量是降低系統成本重要方法，必須首先從處理器啟動順序開始研究。

1 NiosII處理器啟動順序和程式入口地址
NiosII處理器啟動可採用兩種方式：自動初始化和使用者自訂初始化。ANSI C標準定義應用程式可以通過調用main()來開始執行。在調用main()之前，應用程式假定運行環境和所有服務系統都被初始化並準備運行。初始化可以被硬體抽象層(HAL)系統庫自動執行。程式員不需要考慮系統輸出裝置以及如何初始化每一個外設，HAL會自動初始化整個系統。
另外，ANSIC標準也提供了一個可變進入點程式，以避免自動初始化。ANSI C標準還定義程式員能手動初始化任何所用硬體。alt_main()函數提供了一個獨立式編程環境，能夠完全控制系統初始化。獨立式編程環境可以使程式員手動編寫初始化系統代碼。
HAL提供系統初始化代碼按以下啟動順序運行：
①啟動指令和資料高速緩衝儲存空間；
②配置堆棧；
③配置全域指標；
④通過連結器提供_bss_start和_bss_end來零初始化BSS層，_bss_stan和_bss_end是開始和結束BSS命令；
⑤如果當前系統沒有啟動下載器，就複製．rwdata、．rodata，或者剩下部分到RAM；
⑥調用alt_main()。
如果不調用alt_main()函數，則系統預設運行步驟如下：
①調用ALT_OS_INIT()來執行任何作業系統所特有初始化。如果HAL是在作業系統裡運行，那麼初始化alt_fd_list_lock命令。它町以控制訪問HAL檔案系統，初始化中斷控制器並執行中斷。
②調用alt_sys_init()函數，以初始化系統裡所有驅動裝置和軟體組成部分。
③重新設定C標準I／O通道(stdin，stdout，stderr)，以使用合適器件。
④調用main()。
⑤調用exit()。rnain()傳回碼作為exit()輸入。
在NiosII IDE工程中，只需簡單定義alt_main()就可以實現使用者啟動順序，而且能夠選擇HAL服務程式。如果應用程式需要一個alt_main()進入點程式，可以複製預設執行作為開始點，根據要求來定製它。
alt_main()這個函數是不能返回，其原型是：voidalt_main()。
使用獨立式編程環境會增加NiosII程式編寫複雜性。獨立式編程環境主要作用在於減小代碼量，但要使用這種方法，需要對NiosII處理器外設和驅動編寫都非常熟悉才行。
在NiosII IDE中也可以通過某些選項來減小HAL系統庫容量，從而達到減小代碼量目，比使用獨立式編程環境容易得多。

2 減小代碼量方法
2．1 開啟編譯器最佳化選項
在nios2-elf-gcc編譯器中使用“-O3”選項，代碼可以被最大限度地最佳化，包括代碼大小和執行速度。需要注意是，編譯器最佳化可能會帶來一些意想不到結果。另外，必須在使用者工程和系統庫中都使用-O3選項，l所示。

2．2 使用小封裝驅動庫
HAL為處理器外沒提供了兩種驅動庫：一種是執行速度快，但代碼量大版本；另一種是小封裝版本。預設情況下，HAL系統使用是代碼量大版本，可以選擇Reduced device drivers選項來選擇小封裝版本，從而減小代碼量，2所示。

2．3 使用新C語言庫
完整ANST C標準庫通常不適用於嵌入式系統，HAL提供了一系列經過裁減新ANSI C標準庫，佔用非常小代碼量。可以選擇Small C library選項來選擇新ANSI C標準庫，3所示。

2．4 去掉不使用驅動庫
當NiosIl系統中有外設時，NiosII IDE認為這些裝置需要驅動，因此在HAL系統中加入了相應驅動庫。如果在使用者程式中並不需要使用到這些外設，也可以在初始化時不載入這些驅動庫。
當使用者程式並沒有使用到NiosII系統中某些裝置(如SPI通訊介面)時，應在系統中將這些裝置完全移除。這樣，既可以減小軟體代碼量，又可以減少佔用FPGA資源。最常見一個例子就是系統中F1ash儲存晶片。在使用者程式中通常不會對Flash晶片進行寫操作，因此不需要載入Flash驅動庫，可以在工程屬性preprocessor選項中加入“-DALT_NO_CFI_FLASH”，使得HAL系統不將Flash晶片驅動加入系統庫中。
2．5 使用_exit()函數
在預設情況下，HAL系統會調用exit()函數作為使用者程式結束。exit()函數主要完成兩部分工作：清除所有C語言庫中I／O緩衝；調用在atexit()函數中所有函數。實際上，相當於main()函數中return語句在執行之前必須要完成工作。
而在嵌入式系統中使用者程式是不會退出main()函數，所以exit()這段代碼是多餘，可以去掉。在使用者程式中可以用_exit()來代替exit()，_exit()程式不執行任何操作且無需對使用者程式做改動，只需在工程屬性pre-processor選項中加入“-Dexit=_exit”。

3 總 結
通過上述方法，對一個簡單helloworld程式進行代碼量最佳化。程式如下：

#include<stdio.h>
int main()
{
　printf("Hello from NiosII! ");
　return 0;
}

在未進行任何最佳化之前，編譯完成後代碼量為68 KB：在經過上述最佳化方法編譯之後，代碼量變為7044位元組。由此可見，上述最佳化方法十分有效，代碼量減小為原來1/10，在NosII嵌入式系統中有重要實用價值。